Struktur der Materie für Lehramt Einführung: Kern und Teilchenphysik

Struktur der Materie für Lehramt
Einführung:
Kern und Teilchenphysik
Michael Martins, Erika Garutti
Universität Hamburg
Sommer-Semester 2013
1 Struktur der Materie: Teil II 2 Einige aktuelle Fragen Q1 Was ist Materie? ... Was ist Antimaterie?
Q2 Warum gibt es im Universum mehr Materie als Antimaterie?
Q3 Was ist die dunkle Materie?
Q4 Woher kommt die heutige dunkle Energie?
Q5 Was war die Ursache des Big Bang?
Q6 Ist Nuklear Energie gefährlich?
Q7 Wie funktioniert ein Nuklearreaktor?
Q8 Was ist Fusion?
Q9 Was ist Nuklear Medizin?
Q10 Was Ist besser, Proton oder Karbon Therapie?
3 Literature •  R. Eisberg, “QUANTUM PHYSICS of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and ParIcles” •  T. Mayer-­‐Kuckuk “Kernphysik” •  Berger “Elementarteilchenphysik” Extras: •  U. Ellwanger, “Vom Universum zu dem Elementarteilchen” 4 OrganizaIon •  Vorlesung: Prof. Erika GaruZ (eingeladene Vorlesung zur Thema: Reaktorphysik bei Dr. Marius Groll) •  Übungen: Milan Zvolsky 5 Teil II: Struktur 1  Einführung 2  Tools: Teilchenprozessen, RelaIvisIsche KinemaIk, Quantenfeldtheorie, Wirkungsquerschnid 3  Kernphysik 4  Detektoren und Beschleuniger 5  Teilchenphysik 6 1. Einführung • 
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Was ist Materie
Elementar Teilchen
Einheiten
Fundamentale Wechselwirkungen
7 “ Whenever we probe nature—be it by studying the structure of nuclei, or by learning about macromolecules, or about elementary parIcles, or about the structure of solids we always get some essenIal part of this great universe." (From "Problems of Nuclear Structure,” by Victor Weisskopf, Physics Today 14: 7, 1961.) 8 Was ist Materie? 9 Was ist Materie? Physikalisch ist die Materie definiert als alles, was eine Masse hat.
Klassik Physik: Trennung zwischen Materie und Kräfte, Felder, Energie
Speziell Relativität: Einstein Masse-Energie-Äquivalenz
Die Masse ist nur eine von vielen Eigenschaften der Materie, mit denen
sich die Physik beschäftigt.
10 verschiedene „Art“ von Materie? Planetensysteme: Erde-­‐Sonne ~1.5 1011 m Sterne: Sonnenradius ~7 108 m Planeten: Erde Radius ~ 6.4 106 m Sandkörner: ~ 10-­‐3 m Vieren: ~ 10-­‐7 m Einfache Moleküle: ~ 10-­‐9 m Atome: ~ 10-­‐10 m Atomkern: ~ 10-­‐14 m Proton: ~ 10-­‐15 m Electron:
< 10-­‐18 m 11 A history of discoveries
ParIcle: Today > 200 particles listed in
PDG *
But only 27 have cτ > 1µm
and only 13 have cτ > 500µm
Already 20 particles
discovered
* PDG = ParIcle Data Group hdp://pdg.lbl.gov !!! 12 Stabile Teilchen
In die Natur nur 8 Teilchen sind „stabil“, i.e. Reichweite cτ > 500µm –  e±, µ±, π±, K±, K0, p±, n, γ •  Alle andere Teilchen Zerfallen sofort nach die Produktion und
müssen durch die Zerfallsprodukten rekonstruiert werden
•  Letztendlich kann nur geladene Teilchen gemessen werden
•  Neutrale Teilchen (Photons, Neutrons) müssen erstmals seine
Energie zur geladene Teilchen übergeben.
13 Elementar Teilchen
-­‐ 3 Familien von je zwei Quarks (q)
+
3 Familien von je zwei Leptonen (e-,νe)
= Fermionen:
Spin (=Eigendrehimpuls) 1/2
14 Elementar Teilchen
•  3 Familien von je zwei Quarks (q)
•  Kommen nur in gebundenen Zuständen vor!
-­‐ •  qq (Mesonen) und qqq (Baryonen)
Baryonen Mesonen •  3 Familien von je zwei Leptonen (e-,νe)
•  Fermionen: Spin (=Eigendrehimpuls)1/2
Proton Neutron Q(qu,c,t ) = 23 , Q(qd,s,b ) = − 13 , Q(q ) = −Q(q)
Q( p) = Q(uud) = 23 + 23 − 13 = 1
Q(n) = Q(udd) = 23 − 13 − 13 = 0
15 Hierarchy der Masse
Massen der Teilchen sehr unterschiedlich (gänzlich unverstanden,
freier Parameter des Modells aus Messungen)
•  Me=0.511 MeV/c2, Mµ=105.7 MeV/c2, Mτ=1777 MeV/c2
•  0<Mν<eV/c2, Hierarchie der Massen nicht bekannt
•  Mup~4 MeV/c2, Mcharm~1300 MeV/c2, Mtop~175000 MeV/c2
•  Mdown~8 MeV/c2, Mstrange~150 MeV/c2, Mbottom~4300 MeV/c2
Warum gibt es so viele Teilchen, die nicht in “Materie” verbaut sind?
16 Baryonen & Mesonen
Baryon decuplet 1
I3 = [(n u -n u )-(n d -n d )]
2
S=-(n s -n s )
Baryon octet Meson octet 17 * PDG = ParIcle Data Group hdp://pdg.lbl.gov !!! 18 Quantenzhalen
Teilchen Eigenschaften beschreibt man mit Quantenzhalen
1
I3 = [(n u -n u )-(n d -n d )]
2
S= - (n s -n s )
Isospin
Strangeness
B'= - (n b -n b )
Bottom-Zahl
C= + (n c -n c )
Charm-Zahl
T = + (n t -n t )
Top-Zahl
1
Q=I3 + (B+S+C+B'+T)
2
Ladung
(Gell-­‐Mann–Nishijima)
Flavor quantum Zhalen
Baryonenzahl
19 Baryonenzahl
•  Das Proton (leichtestes Baryon) ist stabil (τ>1031 a)
•  Beobachtet wird Neutron beta-Zerfall:
Aber nicht:
•  Beobachtet wird:
pp → p + p + p + p
n → p + e − +ν e
n → p + e − +ν e
•  p,n wird Baryonenzahl B=+1 zugeordnet
•  p n wird Baryonenzahl B=-1 zugeordnet
•  Baryonenzahl additiv, Bein=Baus
0
pp
→
π
pp
•  beobachtet wird
oder
pp → γpp
àPhoton, Meson, (und auch W,Z,g) haben B=0
Auf Quark Niveau:
•  Das ganze ist konsistent, wenn
àBaryonen (qqq) àB=1
B(q) = 1 3 B(q ) = − 1 3
Mesonen (qq)àB=0
20 Leptonenzahl
•  Beoachtet wird:
Aber nicht
µ − → e−ν eν µ
µ − → e −γ
Erlaubt durch Energie-, Impuls,
Drehimpulserhaltung
àEinführung Leptonenzahl
(e − ,ν e ) : Le = 1, Lµ = 0, Lτ = 0
( µ − ,ν µ ) :
0
1
0
(τ − ,ν τ ) :
0
0
1
Für Antiteilchen:
(e+,νe ) : Le+ = −1, Lµ = 0, Lτ = 0
etc.
Alle anderen Teilchen haben Leptonenzahl L=0.
Leptonenzahl additiv. Es gilt auch hier: Lein=Laus
€
21 Einheiten
Scheint trivial – ist aber komplex und aufschlussreich!
SI-Einheiten gesetzlich vorgeschrieben für die Lehre, aber nicht für
wissenschaftliche Untersuchungen und Publikationen
-  SI: Zeit..s, Laenge..m, Masse..kg, Strom...A
In Atomphysik:
- Typische Energien:
- Typische Abstaende:
- Typische Zeitskalen:
1 eV = 1.602 x 10-19 J
1 Å = 0.1 nm = 10-10 m
(ΔEΔt~ћ/2) 1fs = 10-15 s
In Atomphysik: eV und Å gebräuchliche Einheiten
22 Einheiten
In Kern- und Teilchenphysik:
- Bindungsenergien im Kern
- Bindungsenergien Quark im Proton
- Anregungsenergien Hadronresonanzen
- Größe von Kernen
~ 10 MeV (10 x 106 eV)
~ 0.3 GeV (0.3 x 109 eV)
~ 0.3 GeV
~ 1 fm = 10-15 m (Fermi)
In Kern- und Teilchenphysik: MeV..GeV und fm gebraeuchlich
Relativitätstheorie: E2 = (pc)2 + (Mc2)2 à Impuls [MeV/c] und
Massen [MeV/c2]
- Impuls: 1 MeV/c = 5.344 x 10-22 kg m/s
-  Masse: 1 MeV/c2 = 1.783 x 10-30 kg
[Kernphysik: atomare Massenskala 1u = 1/12 12C-Atom,
1u = 931.5 MeV/c2=1.661x10-27 kg]
23 Einheiten
Wichtige Konstanten:
Lichtgeschwindigkeit: c=2.998x108 m/s [~30 cm/ns]
Geschwindigkeiten haeufig einheitenlos als β=v/c
Wirkungsquantum: ћ=h/2π=1.055x10-34 Js= 6.582x10-22 MeVs
MERKEN: ћc=197.3 MeV fm
24 Einheiten
Anwendung : Heisenberg' sche Unschärferelation
ΔpΔx ≈  / 2
1 c
Ortsunsicherheit Δx = 1 fm → Δp = c
≈ 100MeV / c
2Δx
ΔEΔτ ≈  / 2
Lebensdauer τ = 10 − 24 s → ΔE ≈ Γ = 300MeV
Anmerkung : In der Teilchenphysik ist es üblich  = c = 1 zu setzen
⎡ c ⎤
⎡  ⎤
⎡ E ⎤
⎡ E ⎤
→ L : ⎢ ⎥ = GeV −1 T : ⎢ ⎥ = GeV −1 M : ⎢ 2 ⎥ = [GeV ] p : ⎢ ⎥ = [GeV ]
⎣ E ⎦
⎣ E ⎦
⎣ c ⎦
⎣ c ⎦
⇒ übersichtlichere Formeln
Allerdings ist keine Dimensionsanalyse möglich.
[
]
[
]
25 Elementar Teilchen
Literature: Berger “Elementarteilchenphysik” -­‐ 3 Familien von je zwei Quarks (q)
+
3 Familien von je zwei Leptonen (e-,νe)
= Fermionen:
Spin (=Eigendrehimpuls) 1/2
26 Die Kräfte der Natur
Starke Kraft
elektromagnetische
Kraft
schwache Kraft
Gravitation
27 Fundamentale Wechselwirkungen •  Kräfte vermittelt durch Austauschteilchen (Feldquanten).
•  Bosonen: Haben geradzahligen Spin (unterliegen der Bose-Einstein Statistik)
•  Form der Kräfte folgt aus Symmetrieprinzip (Eichinvarianz)
•  Ziel: Konsistente Theorie, die mit möglichst wenigen Parametern auskommt.
NB. Quantenfeldtheorie vs Klassisch z.B. Coulomb •
g1
•
g2


F2 = g 2 E
 
g1 rˆ
E E=
4πε 0 r 2
g1 erzeugt Feld. Feld vermidelt Wechselwirkung 1à2 Beschreibung durch PotenIal. Zunächst mathemaIsche Vereinfachung. 28 Fundamentale Wechselwirkungen •  Kräfte vermittelt durch Austauschteilchen (Feldquanten).
•  Bosonen: Haben geradzahligen Spin (unterliegen der Bose-Einstein Statistik)
•  Form der Kräfte folgt aus Symmetrieprinzip (Eichinvarianz)
•  Ziel: Konsistente Theorie, die mit möglichst wenigen Parametern auskommt.
NB. Quantenfeldtheorie vs Klassisch • Teilchen sendet Feldquanten (γ) aus • Verletzung von Energie und ΔEΔt ≥ 
Impulserhaltung (UnschärferelaIon) • Für Feldquant mit Masse m: Δ
E = mc 2
àLebensdauer Δ t ≈  / mc
2 c
àReichweite r0 ≈ cΔt = 2
mc
29 Wechselwirkungen und Symmetrien
Wechselwirkungen unterscheiden sich durch ihre Reichweite, Stärke ...
c
mc 2
•  Reichweite:
r0 ≈ cΔt =
•  Stärke:
Wahrscheinlichkeit, dass Feld ausgesandt wird.
(in QED: Proportional Ladung g1
Kopplungskonstante
4πα mit α =
e2
4πε 0c
= 1 / 137 Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante
•  Feldquanten, die Kräfte vermitteln, werden virtuell genannt.
... und Erhaltungsgrößen:
pγ2 = mγ2c 4 < 0!
(Noether-Theorem)
Verbindung von Symmetrie
ßà Erhaltungsgröße
Zeitverschiebung
ßà Energieerhaltung
Ortsverschiebung
ßà Impulserhaltung
Drehung
ßà Drehimpulserhaltung
30 Wechselwirkungen
Reichweite : Coulomb → Photon m = 0 → r0 =
c
1
→
∞
[
]
m0 c 2
r2
Kernkraft : π - Meson mπ = 0.14GeV / c 2 → r0 =
Schwache WW : W/Z Bosonen m ~ 90 GeV/c 2 → r0 =
0.2GeVfm
= 1.4 fm (Yukawa1935)
0.14GeV
0.2
fm = 2 ⋅10 −18 m
90
WW
Ladung
Stärke
Feldquant
Reichweite
Gravitation
Masse
10-28
Graviton (m=0) ?
Elektro-magn.
el. Ladung
1/137
Photon (m=0)
Schwach
schw. Ladung
1/25
W/Z
(m=80/90 GeV/c2)
10-18 m
stark
Farbladung
1
Gluon (m=0)
10-15 m
∞
∞
Stärke ist Abstands/ Energie abhängig.
Werte angegeben für E=0.
31 Farbladung Bezeichnung für jene physikalische Eigenscha{ der Elementarteilchen Quarks und Gluonen Gluonen tragen „farbe“ è 8 verschiedene „Sorten“ von Gluonen 32 Strong force
Electromagnetic force
Weak force
* Spin = ½ Spin = 0 Spin = 1 GravitaIon è Graviton (G), Spin = 2 * Spin ist der Eigendrehimpuls von Teilchen. 33 Was ist Materie? 34 Männer sind NICHT Schweine 35 Was ist Materie? Das größtmögliche physikalische Objekt ist das Universum
•  Eine Galaxie ~ 109 – 1012 Sterne
•  Die Galaxien sind ~ gleichmäßig verteilt
•  Die größte beobachtete Entfernung (einer Supernova) ~ 1010 Ly
(1 Ly ~ 1 y x c = 3.1 107 s x 3 108 m/s = 0.9 1016 m ~ 1013 km
1 Mpc = 3.262 x 106 Ly )
Annahme:
homogene Universum è die gesamte Materie (Galaxien, Sterne, Staub,
Atome, Elementarteilchen) betrachtet als ein homogenes Gas
Gas beschrieben durch Materiedichte ρ und Druck p
36 Materie im Universum
Man unterscheidet zwischen drei Formen von Materie und Energie:
a)  non-relativistische Objekten (Galaxien, Sterne, Staub, Atome,
Massive Elementarteilchen die sich mit v<<c bewegen). Beitrag ρnr zu den gesamte Gas Dichte. Den Beitrag zum „Druck des
Universum“ ist vernachlässigbar.
b)  Relativistische Objekte (Massenlose oder leichte energetische
Teilchen die sich mit v~c bewegen). Beitrag ρr zu Gas Dichte.
Beitrag p~1/3 ρr c2 zum Druck.
c)  Konstante Felder (erzeugen eine potentielle Energie(-dichte)
bezeichnet als dunkle Energie oder kosmologische Konstante Λ).
37 38 Materie im Universum
Wir wissen heute dass:
•  Galaxien mit eine Geschwindigkeit v ~ H0d von uns entfernen
(d = Galaxie Entfernung zu uns, H0 = Hubblekonstante 70 km / s Mpc)
•  tHeute = t0 ~ 1.4 x 1010 Jahre
•  Aus Einstein-Gleichungen berechnete Materiedichte
ρ(t0) = ρnr + ρr ~ 2x10-­‐27 kg m-­‐3 •  Dichte der bekannter Materie (Galaxien+Sterne+Staub) ρbek ~ ρ(t0) / 6 !!! è 5 x mehr Dunkle Materie als Materie
(„Dunkle“ = kein Licht abstrahlt)
•  Die größte teil des Universum bestehet auf
ein konstante Feld (Dunkle Energie)
~3-fach grösser als ρ(t0) („Dunkel“ = unklar, unerklärt)
39 Kernphysik: SystemaIk der Atomkerne und deren Zerfälle Komplexe Systeme, o{ keine analyIschen Berechnungen möglich Elementarteilchenphysik: Auffinden der elementaren (=strukturlosen) Bausteine Untersuchung ihrer Eigenscha{en Untersuchung der Krä{e, die zwischen den Teilchen wirken è allgemeine Theorie (?) 40 spont. Spaltung
Kernphysik: Z
SystemaIk der Atomkerne und deren Zerfälle p-instabil
Komplexe Systeme, o{ keine analyIschen Berechnungen möglich n-instabil
N
Elementarteilchenphysik: Auffinden der elementaren (=strukturlosen) Bausteine Elektromagnetische Kraft
Schwache Kraft
Untersuchung ihrer Eigenscha{en Untersuchung der Krä{e, die zwischen den Teilchen wirken Atomphysik
è allgemeine Theorie (?) Starke Kraft
Kernphysik
Teilchenphysik
Typische Energien:
keV…
GeV ...
eV =
-19
TeV (Elementar)Teilchen
1.6x10 J MeV
41 Wechselwirkungen
Historische Entwicklung (willkürliche Auswahl)
Experiment
1895 Röntgen Röntgenstrahlen
1896 Becquerel Radioaktivität
1897 Thomson Elektron (e/m)
1911 Rutherford Atomkern
1922 Compton Compton Effekt
1932 Chadwick Neutron
1932 Anderson Anti-Elektron
1937 Anderson, Neddermayer Myon
1939 Hahn, Straßmann Kernspaltung
1952 Fermi, Anderson Nukleonresonanzen
1955 Chamberlain, Segre Antiproton
1956 Reines,Cowan Neutrino
1964 Cronin, Fitch CP-Verletzung
1968 SLAC Quarks in ep-WW
1974 Richter,Ting J/ψ-Teilchen
1974 Ledermann Υ-Teilchen
1979 DESY Gluon
1983 CERN W-Z-Teilchen
1989 CERN Anzahl Neutrinos = 3
1994 FNAL Top-Quark
1996 GSI Kern mit Z=112
1998 Japan Neutrinooszillation
2000 FNAL τ-Neutrino
2012 CERN (LHC) Higgs-­‐Teilchen Theorie
1900 Planck Wirkungsquantum
1905 Einstein Photon, E=mc2
1927 Dirac Antimaterie
1932 Heisenberg Isospin
1933 Pauli Neutrino
1934 Fermi Theorie β-Zerfall
1935 Yukawa Mesonen-Hypothese der
Kernkraft
1935 Weizsäcker Kern-Massenformel
1949 Tomonaga, Feynman, Schwinger
QED
1949 Göppert-Mayer, Jensen
Schalenmodell Kern
1956 Lee, Yang Paritätsverletz.
1964 Gell-Mann, Zweig Quark-hypothese
1964 Glashow,Weinberg,Salam Elektroschwache Verein.
1973 Fritzsch, Gell-Mann QCD
1973 Green, Politzer, Wilczek
Asymptotische Freiheit
Viele dieser Schlüsselentdeckungen werden
Thema in dieser Vorlesung sein.
42 Anwendungen
Spinoff-Produkte der Kern- und Teilchenphysik:
•  Kultur
•  Beschleuniger und Nachweismethoden in
•  Festkörperphysik, Materialwissenschaften
•  Chemie, Biowissenschaften
•  Medizin (Therapie und Diagnose)
•  Energie
•  WWW + Grid-Computing
Gasdetektor für Röntgenanalyse
Synchrotronstrahlung:
Beugungsbild eines Biomoleküls
Strukturbestimmung Biomolekül
Fledermaus: Radiographie 9 keV Photonen
43 Warum scheint die Sonne? 44 Zusammenfassung: Kapitel 1 •  Kern-und Teilchenphysik = Physik der subatomaren Systeme:
Ortsskala< 10-15 m (fm) und Energieskala > MeV (106 eV)
•  Materie zusammengesetzt aus fundamentalen (punktförmigen)
Spin-1/2-Teilchen (Fermionen): Quarks und Leptonen
•  Quarks und Leptonen kommen in 6 „flavours“ (3 Familien)
•  Vier fundamentale Wechselwirkungen: elektro-magnetisch,
schwach, stark und Gravitation
•  Wechselwirkungen werden durch den Austausch von Eichbosonen
(Photonen; W,Z; 8 Gluonen; Graviton) beschrieben, die an
Ladungen (elektrische Ladung, schwache Ladung, Farbe und
Masse) koppeln
•  Reichweiten der Wechselwirkungen hängen von den Massen der
Eichbosonen ab
45 •  Symmetrien und Quantenzahlen beschreiben, welche
Teilchenreaktionen auftreten (Energieerhaltung, Ladungserhaltung,
Leptonzahlen, Baryonzahlen,..)
•  Quarks und Gluonen treten nicht als freie Teilchen auf, sondern in
farbneutralen Hadronen (Mesonen, Baryonen)
•  Mesonen sind Quark+Antiquark-Systeme, Baryonen sind qqqSysteme
•  Kerne setzen sich aus Protonen und Neutronen zusammen
•  Ziel der Kern-und Teilchenphysik ist es, die subatomare Welt mit
einer konsistenten Theorie (Modell) zu beschreiben
•  Kern-und Teilchenphysik haben eine enge Verbindung zur
Kosmologie und Astrophysik (Astroteilchenphysik)
•  Methoden der Kern- und Teilchenphysik finden zahlreiche
Anwendungen in Wissenschaft, Technik und täglichem Leben
46